N5, 2002

ПРОБЛЕМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ НАСЫПЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ СУРОВОГО КЛИМАТА

<КУДРЯВЦЕВ С.А.

Борьба с морозным пучением грунтов на железных дорогах России находится в центре внимания с момента строительства и эксплуатации земляного полотна в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов. Причиной этого являются многочисленные деформации рельсового пути, вызываемые пучением. Неравномерное пучение настолько искажает профиль рельсового пути, что для обеспечения безопасного движения поездов на пучиноопасных участках требуется постоянная выправка пути, связанная с затратой значительных средств. По статистическим данным Департамента путей и сооружений МПС РФ, в течение последних 30 лет протяженность деформирующихся и дефектных мест земляного полотна на сети железных дорог России остается на уровне 10–14% (рис. 1). По данным на 2001 г., протяженность деформированных участков в сравнении с началом 90-х гг. сократилась примерно на 2%. При этом отдача от финансовых вложений в капитальный ремонт земляного полотна невелика.

Рис.1. Деформации земляного полотна железных дорог России от сил морозного пучения
(% к общей длине дороги):
1 – в целом по МПС РФ; 2 – Восточно-Сибирская ж/д; 3 – Забайкальская ж/д; 4 – Дальневосточная ж/д; 5 – Сахалинская ж/д

Для ликвидации имеющихся деформаций и стабилизации земляного полотна на пучиноопасных участках чаще всего выполняют укладку теплоизоляционного покрытия из экструзионного пенополистирола для предупреждения сезонного промерзания, пучения и оттаивания. Этот метод был признан наиболее эффективным в самых неблагоприятных условиях, при затрудненном поверхностном водоотводе и в зонах повышенных силовых воздействий. Работы производятся специальными путевыми ремонтными машинами типа РМ-80 или «Самсон», которые позволяют работать на путях с использованием 6–8- часовых окон в движении поездов; производить выемку, очистку и укладку щебня практически одновременно и без остановок; выполнять укладку теплоизоляционных плит параллельно с заменой щебеночного балласта. Опыт использования этой технологии с применением современных материалов при реконструкции Октябрьской железной дороги позволил рекомендовать его и для использования на остальных железных дорогах России. На сети железных дорог России используется технология укладки теплоизоляции из пенополистирола толщиной 0,06 м, длиной 4,0 м, шириной 0,6 м сплошным слоем над всей поверхностью основной площадки деформирующегося участка земляного полотна.

При проектировании таких способов защиты требуется оценка теплофизических характеристик и напряженно-деформированного состояния грунтов в процессе их промерзания–оттаивания.

Наиболее точно процесс промерзания–оттаивания описывается уравнением теплопроводности с учетом фазовых превращений в спектре отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве [1]:

где Сth(f) – удельная теплоемкость талого или мерзлого грунта, Дж/кГ×0С; rd – плотность сухого грунта, кГ3; Т – температура, 0С; t –время, с; L0 – удельная теплота фазовых превращений “вода – лед” в расчете на единицу массы, Дж/кг; l – теплопроводность грунтов (мерзлого или талого), Вт/м×0С; x, y, z – координаты, м; qV – мощность внутренних источников тепла, Вт/м3; Ww влажность незамерзшей воды в грунте.

Приведенная формула позволяет учитывать изменения компоненты скрытой теплоты фазовых переходов в спектре отрицательных температур, поглощенной или отданной грунтом из-за изменений фазы грунтовой воды.

Начальным условием для этого уравнения является температурное поле в исследуемой области Т (х, у, z) грунта в момент времени t=t0.

Граничные условия могут быть четырех видов:

1. Если известна температура грунта на дневной поверхности S, то

2. Если через поверхность Sq задан тепловой поток, то

где n – координата по внешней нормали к поверхности, м; qn – плотность теплового потока, который считают положительным, если грунт теряет теплоту, Вт/м2. Линейными источниками тепла являются проложенные в грунте трубы водотеплоснабжения, водяного пара, кабели энергоснабжения или связи. В каждом из этих случаев площадь поперечного сечения трубы или кабеля мала по сравнению с размерами окружающего грунта.

3. Если на поверхности грунта Sα происходит конвективный теплообмен, то

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 0С); Tа – температура окружающей атмосферы, 0С.

5. Если на границах рассматриваемой области задан тепловой поток,

Напряженно-деформированное состояние пучиноопасных грунтов изменяется при уменьшении температуры ниже 00С вследствие действия сложной комбинации объемных сил сжатия и расширения. При температуре от 00С до Тbf (температуры начала замерзания) происходит уменьшение объема грунта (усадка). В интервале температур от Тbf до Тf (температуры окончания активного пучения) увеличивается объем грунта – происходит деформация пучения, преобладающая над деформацией морозной усадки. Интегрально эта деформация определяется параметром a2 [2]. При температурах ниже Тf деформации пучения уменьшаются, превалирует морозная усадка. В отмеченных случаях морозное пучение и усадку можно представить в виде дополнительных сил, вызывающих увеличение или уменьшение объема конечного элемента на величину DV.

Для решения задач отмеченного класса разработана программа «Термомеханика», которая включена в программный комплекс «FEM models», разработанный в НПФ “Геореконструкция” [3]. Это позволяет решать задачи процесса промерзания–оттаивания с помощью уравнения теплопроводности. При этом учитывается наличие фазовых превращений в спектре отрицательных температур для нестационарного теплового режима в трехмерном грунтовом пространстве. Напряженно-деформированное состояние оценивается по установленным температурным полям. Это позволяет определять деформации и усилия в конструкциях земляного полотна в различное время года и предусматривать мероприятия, исключающие негативное воздействие сил морозного пучения на верхнее строение пути. При этом можно оценить ход развития промерзания и оттаивания грунтов, а также установить величины деформаций подъема (вследствие морозного пучения) и осадки (вследствие оттаивания) любых расположенных в грунтовой среде конструкций.

Для железнодорожных насыпей и выемок распределение отрицательных температур в грунте принимается в зависимости от температуры воздуха у поверхности. Вертикальные относительные деформации пылевато-глинистого грунта при промерзании в соответствии с данными экспериментов аппроксимируются кусочно-линейной зависимостью efh–Т, где efhотносительная деформация морозного пучения.

Для решения задач данного класса принята модель промерзающего, оттаивающего и мерзлого грунта предложенная Н.А. Цытовичем и Я.А. Кроником [4]. В ее основе лежит принцип равновесного состояния фазовых переходов воды в грунте, который учитывает механические и физико-химические процессы, физико-механическое состояние и переменность характеристик грунтов в зависимости от изменения их температуры и напряженно-деформированного состояния. Эта модель включает четыре зоны с соответствующими температурными интервалами, в которых теплофизические и термодинамические параметры грунта изменяются по определенным закономерностям [5].

В качестве модели работы грунта в пространственных условиях принята упругопластическая модель, предполагающая упругую работу в пределах поверхности, описываемой критерием МизесаШлейхера–Боткина, и равнообъемное течение при достижении напряжениями этой поверхности. В такой модели используются механические параметры среды, определяемые стандартными испытаниями при инженерно-геологических изысканиях [1].

Предполагаются, что прочностные и деформативные характеристики конечного элемента промерзающего и мерзлого грунта зависят от их начальных значений в талом состоянии, температуры и коэффициентов упрочнения. Указанные зависимости должны устанавливаться в ходе экспериментов.

По установленным в ходе расчета с учетом времени температурным полям вычисляются механические характеристики промерзающего и мерзлого грунтов, на основе которых рассчитываются деформации пучения или температурного сжатия.

В программе "Термомеханика" механические характеристики грунта вычисляются по линейным зависимостям вида [2]

,

где А0 механическая характеристика для талого состояния; К i – показатель упрочнения; Т – абсолютные значения средних отрицательных температур конечного элемента в рассматриваемый момент времени.

Анизотропия деформаций пучения учитывается введением коэффициента y.

В программе "Термомеханика" предусмотрено наличие негрунтовых конструкций и непучинистых грунтов. Возможность задания нулевых перемещений позволяет имитировать смерзание грунта с фундаментами и опорами, а вариация размеров и свойств элементов – вводить в контактные слои малопрочные элементы, имитирующие незамерзающую обмазку. Имея информацию о состоянии элементов, можно сделать заключение о развитии и росте трещин в промерзающей и мерзлой зонах. Это может рассматриваться как вариант решения задачи о морозобойных трещинах.

Автором было выполнено численное моделирование процессов промерзания, морозного пучения и оттаивания железнодорожных насыпей высотой 2,0; 4,0 и 6,0 м для климатических условий Московской, Забайкальской и Дальневосточной железных дорог. Поперечное сечение насыпей принято по их осредненным профилям, образовавшимся в результате длительной эксплуатации, согласно данным Департамента пути и сооружений МПС РФ для Восточного полигона сети МПС (рис. 2).

В качестве теплоизоляционного материала были использованы плиты из экструзионного пенополиститрола. Толщина теплоизоляции равна δ=0,06 и 0,012 м; плотность ρ=0,25 т/м3; теплопроводность λ=0,06 Вт/(м·0С); объемная теплоемкость С = 170 кДж/(м3·0С) для условий эксплуатации группы Б [6]. Среднемесячная температура воздуха станций Московской железной дороги (Москва), Забайкальской железной дороги (Могочи, Белогорска) и Дальневосточной  (Хабаровск).

Рис. 2. Расчетная схема насыпи на длительно эксплуатируемом участке: 1 – железобетонная шпала; 2 – щебень; 3 – теплоизоляция из экструзионного пенополистирола; 4 – песчано-гравийная смесь; 5 – пылеватый суглинок;
6 – основание из суглинка


В качестве теплоизоляционного материала были использованы плиты из экструзионного пенополиститрола. Толщина теплоизоляции равна δ=0,06 и 0,012 м; плотность ρ=0,25 т/м3; теплопроводность λ=0,06 Вт/(м·0С); объемная теплоемкость С = 170 кДж/(м3·0С) для условий эксплуатации группы Б [6]. Среднемесячная температура воздуха станций Московской железной дороги (Москва), Забайкальской железной дороги (Могочи, Белогорска) и Дальневосточной  (Хабаровск) принималась согласно [7]. Расчетные значения теплофизических характеристик грунтов в талом и мерзлом состоянии принимались по экспериментальным данным и согласно [8]. Нормативная глубина промерзания грунтов в климатических районах исследования составляет dfn =1,2…..3,5 м, температура наружного воздуха опускается до t = –30.30С, а величина пучения грунтов на участках достигает hf =10–12 см.

Исследовались различные технологии укладки экструзионного пенополистирола, которые применяются или могут быть применены при производстве работ путевыми ремонтными машинами типа РМ-80 или «Самсон»:

1 – укладка плит длиной L=4 м и толщиной δ=0,06 м. для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке;

2 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя толщиной δ=0,12 м и в один слой на откосе шириной 0,6 м для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

3 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя δ=0,12 м, в три слоя от края шпалы до откоса и на откосе шириной 0,6 м в один слой для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

4 – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в два слоя δ=0,12 м, от края шпалы до откоса в три слоя, и на откосе шириной 0,6 м в один слой при температуре грунтов насыпи в Могоче Т=00С для снижения промерзания и предохранения оттаивания вечномерзлых грунтов насыпи при воздействии отрицательной и положительной температуры в течение всего года перпендикулярно основной площадке и со стороны откоса;

5 тип – укладка плит по всей ширине основной площадки земляного полотна в один слой δ=0,06 м, от края шпалы до откоса в два слоя для снижения или ликвидации промерзания грунтов насыпи при воздействии отрицательной температуры перпендикулярно основной площадке.

Результаты исследований приведены на рис. 3.

 

Рис. 3. Температура грунта на основной площадке насыпи высотой 2 м под краями шпалы при укладке теплоизоляции по 3-му типу: 1, 2– для условий Хабаровска, соответственно со стороны междупутья и поля; 3, 4 – для условий Могочи соответственно со стороны междупутья и поля

 Как видно из рис. 3, для условий Хабаровска 3-й тип укладки наиболее эффективен, так как практически не позволяет опуститься температуре грунта ниже нуля. Эпюры распределения температуры в разных сечениях насыпи и основания для условий Хабаровска на конец февраля (рис. 4) показывают, как изменяется по глубине нулевая изотерма по всему сечению.

Рис. 4. Эпюры распределения температуры
насыпи Н = 2 м и основания в Хабаровске на конец февраля по 3-му типу укладки теплоизоляции

В поле на данный период она находится на глубине 1,6 м, а под краями шпалы со стороны междупутья – 1,2 м и со стороны откоса
1,64 м. При этом в зоне промерзания температура грунтов в поле изменяется от –16ºС до нуля практически по треугольному закону в зоне мерзлого грунта и по экспоненте в зоне фазовых переходов. Под теплоизоляцией в зоне промерзания температура грунта изменяется от – 0,55ºС до нуля.

Для условий Могочи укладка теплоизоляции по 3-му типу существенно снижает отрицательную температуру грунта на основной площадке, но не исключает полностью действие сил морозного пучения на верхнее строение пути.

Обобщенные результаты исследования эффективной укладки экструзионного пенополистирола для разных регионов России показаны на рис. 5. Так как процесс морозного пучения для большинства пылевато-глинистых грунтов начинается при температуре начала замерзания Тbf = – 0.50С, то рациональным типом укладки теплоизоляции в тело насыпи будет тот, который обеспечивает зна­чения Тbf  выше этой величины, т.е. исключает влияние этого негативного воздействия на конструкцию земляного полотна в зимний период.

 

Рис. 5. Температура грунта основной площадки насыпи высотой 2 м в феврале при укладке пенополистирола, соответственно, под краем шпалы со стороны междупутья (I), под осью пути (II), под краем шпалы со стороны поля (III): 1 – Хабаровск (Х), 3-й тип; 2 – Москва (М), 1-й тип; 3 – Могоча (Мг), 3-й тип (на мерзлых грунтах насыпи);
4 – Белогорск 3-й тип; 5 – Мг, 2-й тип; 6 – Х, 1-й тип; 7 – Мг, 1-й тип

Согласно обобщенным результатам исследований рациональными технологиями реконструкции насыпи будут следующие:

Для исследованных районов Забайкальской железной дороги – Белогорска и Могочи (среднегодовая температура грунтов тела насыпей составляет около +1…..0ºС) при укладке теплоизоляции 3-го типа (рис. 6–8) происходит снижение температуры промерзания грунта основной площадки, но воздействие сил морозного пучения на грунты тела насыпи полностью не исключаются.

На рис. 6 хорошо видно, как изменяется по глубине нулевая изотерма по всему сечению: в поле на данный период она опускается на глубину –2,8 м, под краями шпалы со стороны междупутья –2,6 м, со стороны откоса –3,0 м. При этом в зоне промерзания температура грунтов в поле изменяется от  –19,90С до нуля практически по треугольному закону в зоне мерзлого грунта и по экспоненте в зоне фазовых переходов. Под теплоизоляцией (тело насыпи) в зоне промерзания температура грунта изменяется от –1,8 до –2,2ºС, т.е. находится в зоне температур морозного пучения грунтов.

 

Рис. 6. Изолинии и эпюры распределения температур в теле насыпи для климатических
условий Белогорска на февраль месяц при укладке теплоизоляции по 3-му типу

Для насыпи с пластичномерзлыми грунтами в районе станции Могоча при укладке теплоизоляции по 3-му типу (рис. 7, 8) в зимний период температура грунта основной площадки снижается от –3,60С (под краем шпалы со стороны междупутья) до –6,90С (под краем шпалы со стороны поля).

 

Рис. 7. Температура грунта на основной площадке насыпи высотой 2 м в Могоче для условий вечномерзлых грунтов в основании и теле насыпи при
3-м типе укладки теплоизоляции: 1 – под краем шпалы со стороны поля; 2 – под осью пути; 3 – под краем шпалы со стороны междупутья

 Рис. 8. Изолинии и эпюры распределения температур в теле насыпи для климатических условий станции Могоча на февраль при 3-м типе укладки теплоизоляции

При детальной разработке проекта необходимо рассмотреть также изменение влияния влажности по глубине на грунты тела насыпи, находящиеся в интервале температур активного морозного пучения (–0,5….–7,0 0С).

В теплое время года при укладке теплоизоляции 3-го типа оттаивания грунта в Могоче под теплоизоляцией не происходит, т.е. процесс осадок насыпи в весенне-летний период исключается, что позитивно влияет на состояние конструкции земляного полотна.

Расчеты показали, что использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить, а в случае необходимости – исключить промерзание грунтов и вредное влияние мо­розного пучения. Для Московской железной дороги силы морозного пучения почти исключаются. Для Забайкальской и Дальневосточной железных дорог в каждом конкретном случае необходимо делать геотехническое обоснование деформированного участка с последующим мониторингом работ.

Для обеспечения безопасной эксплуатации насыпей в промерзающих пучинистых грунтах необходим геотехнический прогноз, на основе которого можно рекомендовать современные эффективные геотехнологии по стабилизации грунтов.


Список литературы

1. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, 1987.

2. Сахаров И.И. Физикомеханика криопроцессов в грунтах и ее приложения при оценке деформаций зданий и сооружений: Автореф. дисс. … д-ра техн. наук. Пермь, 1995.

3. Программная система для создания моделей и решения задач строительства и реконструкции с помощью МКЭ “FEM models”/ В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин, В.Н. Парамонов// Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000. № 2.

4. Tsytovich N.A., Kronik J.A. Interrelationship of the principal physicomechanical and thermophysical properties of coarse grained frozen soil. Bochum, 1978. Eng. Geol., 1979, № 13, p. 163–167.

5. Кроник Я.А. Термомеханические модели мерзлых грунтов и криогенных процессов// Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. М.: Наука, 1982. С. 200–211.

6. СНиП II-3–79*. Строительная теплотехника/ Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000.

7. СНиП 23-01–99. Строительная климатология/ Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000.

8. СНиП 2.02.04–88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах/ Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.